EP1427157A1 - Procédé de detection d'une rafale à partir d'une estimation de canal et système recepteur pour la mise en oeuvre du procédé - Google Patents

Procédé de detection d'une rafale à partir d'une estimation de canal et système recepteur pour la mise en oeuvre du procédé Download PDF

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EP1427157A1
EP1427157A1 EP03292885A EP03292885A EP1427157A1 EP 1427157 A1 EP1427157 A1 EP 1427157A1 EP 03292885 A EP03292885 A EP 03292885A EP 03292885 A EP03292885 A EP 03292885A EP 1427157 A1 EP1427157 A1 EP 1427157A1
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EP
European Patent Office
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burst
channel
receiver system
detection
signal
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EP03292885A
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Nidham Ben Rached
Thierry Lucidarme
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Nortel Networks Ltd
Original Assignee
Nortel Networks Ltd
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    • H04W74/00—Wireless channel access
    • H04W74/08—Non-scheduled access, e.g. ALOHA
    • H04W74/0833—Random access procedures, e.g. with 4-step access

Definitions

  • the present invention relates to the detection, by a receiver, of signal bursts transmitted over a radio channel in a system of communication.
  • bursts can be of different types, such as initial sync bursts or bursts of random access to the mobile network. This last case will be more particularly developed thereafter, without this being limiting.
  • a mobile terminal of a communication network When a mobile terminal of a communication network wishes have communication resources, for example to carry out a call, it executes a request to the network that manages and distributes the resources.
  • This random access request generally consists of the transmission of a message whose preamble is a burst of signal representing a predetermined digital sequence.
  • This message is sent on a radio channel amount listened to by a network receiving system.
  • this channel is called RACH or PRACH (" Packet Random Access CHannel ").
  • RACH Packet Random Access CHannel
  • the format of such a message is described in particular in 5.2.2.2 of the technical specification TS 25.211 version 5.2.0 Release 5, "Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) ", published in September 2002 by the 3GPP organization.
  • Reliable detection of random access bursts on the RACH is important because the failure rate of establishing communications seen from a mobile radio user depends directly on it.
  • An improvement of the detection reliability is particularly interesting for reception systems that include antennas sector or omnidirectional smart antennas.
  • the predetermined digital sequence transmitted on the RACH channel by a mobile terminal has a size of 4096 "chips", a chip being a piece of code according to the encoding used in the system.
  • the exchanged data are in frames of 10 ms, themselves subdivided into 15 slots (or "slots") of 666 ⁇ s, corresponding to 2560 chips.
  • the signal burst associated with the digital sequence transmitted on the RACH is received within an interval corresponding to two slots consecutive.
  • a criterion must be defined to decide, from such a correlation, whether the predetermined numerical sequence is present. This one is usually based on the energy level of the correlation, which is compared to a level predefined threshold.
  • threshold is tricky: a low threshold causes many false detections that disrupt the system, while too high a threshold misses access requests from terminals relatively far from the base station.
  • a power ramp can be used by the mobile terminal to retransmit the burst of network access on the RACH channel regularly with, for each new transmission, transmission power increased, as long as the network has not responded to its request for resources.
  • This method improves the detection of the burst by the radio network, especially in the case where the low transmission power of the first transmissions is at the origin of the absence of detection of the gust on the RACH.
  • An object of the present invention is to propose a method of predefined signal detection which alleviates the disadvantages of known methods.
  • the invention thus proposes a method for detecting a burst of signal transmitted on the initiative of a transmitter on a radio channel listened to by a receiving system, the transmitted burst representing a digital sequence predetermined, in which channel parameters representing a statistical behavior of the radio channel and one evaluates a magnitude of detection from the estimated channel parameters and a correlation between a signal received at the receiving system and the predetermined digital sequence.
  • the detection quantity is compared with a detection threshold adaptive to decide if the signal burst is detected.
  • the reliability of the detection is thus increased thanks to a account a posteriori of the effects of this detection.
  • Feedback then allows a relevant adaptation of the detection threshold used.
  • the invention also proposes a receiver system adapted to the setting of the above method.
  • the mobile terminal 1 transmits a burst of signal on a channel of the type RACH when it wishes to access the network and obtain from the network communication resources.
  • the network consists mainly of a core network ensuring the switching of data and connection to other networks of communication, such as the PSTN ("Public Switched Telephone Network”), and a radio network responsible for data exchange and signaling with mobile terminals.
  • PSTN Public Switched Telephone Network
  • radio network responsible for data exchange and signaling with mobile terminals.
  • the radio network generally includes transmission systems and receivers, belonging to base stations, as well as controllers of base stations providing higher level functions than the simple transmission of data, such as the management of radio resources or mobility for example. Some functions can be performed indifferently by the base stations or by the controllers of stations of based. Some can also be done in a shared way by these entities.
  • a base station including a reception system 2 able to receive signals transmitted in particular by the terminal 1.
  • This controller 3 is called BSC ("Base Station Controller") in the terminology used in the GSM system.
  • BSC Base Station Controller
  • RNC Radio Network Controller
  • the reception system 2 illustrated in FIG. 1 comprises two main reception channels, in phase (I) and in quadrature (Q).
  • the received radio signal is mixed with two radio waves in quadrature at the carrier frequency.
  • the signal Z comprises both the signals possibly transmitted by the mobile terminal 1 and the residual signals consisting of noise and interference. Since the carrier frequencies are generally shared by several users, the signals transmitted by other mobile terminals are noise-like interferences in a CDMA system such as UMTS. At each instant, the system 2 thus receives signals Z x , Z y consisting of digital sequences on each of the two I and Q channels.
  • the complex signal z z x + jz produced there by these filters 3 and shows a correlation between the received signal and the sequence to be detected, the calculated frequency chips.
  • the two real signals z x and z y respectively correspond to the real and imaginary components of the signal detected after matched filtering.
  • H1 be the hypothesis according to which the burst of random access has been sent on the RACH channel and H0 the complementary hypothesis according to which only noise is present.
  • the ratio of probabilities based on knowledge of the detected signal z can be written as follows, according to the Bayes formula: where P (a / b) denotes the probability of a knowing b.
  • the receiver system 2 considers that the burst has been issued on the RACH if this ratio P (H1 / z) / P (H0 / z) is greater than a certain threshold c.
  • the ratio P (H1) / P (H0) P (H1) / 1-P (H1) is independent of the detected signal.
  • the receiver system 2 therefore evaluates the probability ratio P (z / H1) / P (z / H0) for deciding, by comparison with a threshold, the detection or not a burst of random access on the RACH channel.
  • This assessment takes advantageously account the propagation conditions on this channel.
  • the probability of detecting the signal z after adapted filtering knowing that the predefined sequence has been transmitted on the RACH can then be written: with C the set of possible realizations of the complex gain a on the propagation channel, N 0 the power of the noise and p (a) the probability density of the gain a.
  • a calculation module 5 of the receiver system 2 estimates the moments ma x, n and ma y, n at the output of the adapted filters 3 for each of the two reception channels respectively.
  • This evaluation is performed on a time interval said interval which corresponds to a number of chips lower than the number of possible positions of the burst of random access within two consecutive slots. If we take the case of UMTS, where there are 1024 positions possible of the burst inside 2 consecutive slots, one can choose by example an evaluation interval corresponding to 32 chips.
  • the evaluation of the moments then consists in estimating the probability p x (a x ), p y (a y ) of finding each value of a characteristic component of the gain of the propagation channel a x, n and a y, n , in the corresponding sample of the signal detected in the evaluation interval. These probabilities are then weighted by the nth power of the associated component value, before being summed, as indicated by the formulas and respectively.
  • the module 5 for calculating the moments sends the result of its calculation to a module 6 for detecting the RACH of the receiver system 2.
  • This module calculates the ratio of probabilities P (z / H1) / P (z / H0 ) by the formula (4), truncating the summation to an order k ⁇ :
  • the noise variance N 0 is conventionally available in the receiver, from an average of the energy of the complex signal. at the output of the adapted filters 3.
  • the number k is greater than 2, to take into account moments of high order that finely translate the channel behavior.
  • the detection module 6 can memorize tables giving, for certain standard values, the corresponding value for the Hermite polynomials. This makes it easy to determine the value of the ratio P (z / H1) / P (z / H0) for any new detected value of z x and z y within the moment evaluation interval.
  • the probability ratio thus estimated is then compared by the module of detection 6 at a detection threshold c ', for example set according to a target of reliability of detection of RACH. If the ratio P (z / H1) / P (z / H0) is greater than c '(which corresponds to the fact that the ratio P (H1 / z) / P (H0 / z) exceeds itself a certain threshold as seen above), the receiver system 2 then considers that the predefined sequence has been sent on the RACH channel. Resources will be able to be made available to the terminal applicant.
  • receiving system 2 may decide to conclude that no sequence has was issued on the RACH channel.
  • the terminal which does not receive the expected response, can apply a repetition method to improve the reliability of detection by the system receiver 2, for example by implementing a power ramp.
  • the ratio P (H1) / P (H0) is evaluated, updated over time.
  • step 11 begins by determining an observation period T obs , during which certain indicators will be estimated. This period must be long enough to obtain a significant estimate of the indicators, while allowing a sufficiently regular update of the estimates. For example, T obs can be set to 30 minutes.
  • the number A of bursts detected on the RACH channel during T obs can be easily known by the receiver system since it is it that decides whether or not to detect such bursts. It is therefore sufficient for him to count each detection during the observation period.
  • This report, updated in step 14 for each observation period T obs , can advantageously be introduced into the detection criterion (1), in order to make reliable the detection of network access requests on a RACH channel, thanks to a posteriori taking into account the behavior of the users soliciting the RACH channel.
  • the threshold c 'used is set proportionally to (TA) / A.
  • Another aspect of the invention includes an estimate of the rate of false detections of the burst during the observation period T obs .
  • the receiving system has the maximum possible number T of random access bursts that can be transmitted on the RACH during an observation period T obs . It furthermore determines a number of erroneous detections of such a burst on the RACH channel, that is to say a number F of signals detected and wrongly interpreted by the receiver system as corresponding to requests for access to the network. .
  • a request for access to the network by a terminal 1 is indeed the subject a signaling exchange determined. It should therefore be verified that this whether or not the exchange went right to the end, whether the resource request detected at the receiving system was real.
  • FIG. 3 shows such a signaling exchange as part of the GSM radio system.
  • the access request to the network by the terminal 10 is the subject of the message amount "Channel_Request" on a RACH channel, incorporating the burst to be detected by the base station.
  • the base station 20 informs the BSC 30 of the request ("Channel_Required” message).
  • the BSC 30 reserves then communication resources that he indicates to the base station 20 ("Channel_Activate” message), before receiving an acknowledgment in response (“Channel_Activate_Ack” message).
  • the BSC 30 then sends a "Immediate_Assignment” message to terminal 10 via the base station 20 to tell him the communication resources that him are affected.
  • a Layer 3 signaling exchange is performed to confirm the opening of a communication channel between the terminal 10 and the radio network ("SABME", "UA” and "Estab_Indic” messages).
  • the receiving system can conclude the access request to the network of the terminal 10 has been wrongly detected. In However, if the signaling exchange confirms that the terminal 10 has issued an access request, the receiving system will not count a detection wrong.
  • the receiver system that is to say the base station 20 and / or the BSC 30, counts the "false” requests during T obs , and deduces therefrom the number F of erroneous detections on the RACH channel (or “Number”). False RACH “in Figure 2) over the observation period T obs (step 15 in Figure 2).
  • step 16 it obtains the estimate of the rate of false detections on the RACH channel (or "false RACH rate” in FIG. 2) defined as the F / T ratio of the number F of false RACHs by the maximum number T possible from RACH over the observation period T obs .
  • the receiver system uses the F / T ratio to adjust the signal detection criteria on the RACH channel it uses.
  • the detection threshold level c or c ' may advantageously be modified as a function of this F / T ratio. For example, if F / T is too high (in comparison with an objective that can for example be of the order of 10 -3 ), it means that the detection of the burst is too sensitive and therefore that the detection threshold must be hardened (increased). Conversely, if the F / T ratio is considered too low by the receiving system, this means that the detection tends to miss bursts of random access, and that the detection criterion must be relaxed, that is, to reduce the threshold.
  • the criterion thus adjusted according to the ratio of probabilities P (H1) / P (H0) and / or the false detection rate F / T is applied by the base station (step 18 in Figure 2) to ratings of the magnitude of detection (for example of the form P (z / H1) / P (z / H0)) obtained in step 17.
  • the base station 20 and the BSC were considered 30 as a whole forming a receiver system. In reality, some receiver system functions will be implemented by the base station 20 and others by the BSC 30.
  • burst detection is usually performed by base station 20, while some of the estimates from steps 12 to 16 may be performed by BSC 30.
  • BSC 30 may indicate to the base station 20 how to adapt the detection criterion that it uses. he can for example tell him that the detection threshold it uses must be increased or decreased by a certain value, for example by a number no increase or decrease that it determines.
  • the RNC may send such orders to Node B via the NBAP signaling exchange protocol ("Node B Application Part").

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Abstract

Le procédé cherche une détection d'une rafale de signal transmise à l'initiative d'un émetteur sur un canal radio écouté par un système récepteur. La rafale transmise représente une séquence numérique prédéterminée. On estime des paramètres de canal représentant un comportement statistique du canal radio et on évalue une grandeur de détection à partir des paramètres de canal estimés et d'une corrélation entre un signal reçu au système récepteur et la séquence numérique prédéterminée. La grandeur de détection est comparée à un seuil de détection adaptatif pour décider si la rafale de signal est détectée. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne la détection, par un récepteur, de rafales de signal transmises sur un canal radio dans un système de communication.
Elle trouve une application notamment dans la détection de rafales courtes émise dans un réseau de radiocommunication. Ces rafales peuvent être de différents types, comme des rafales de synchronisation initiale ou des rafales d'accès aléatoire au réseau mobile. Ce dernier cas sera plus particulièrement développé par la suite, sans que cela soit limitatif.
Lorsqu'un terminal mobile d'un réseau de communication souhaite disposer de ressources de communication, par exemple pour effectuer un appel, il exécute une requête au réseau qui gère et distribue les ressources. Cette requête d'accès aléatoire consiste généralement en la transmission d'un message dont le préambule est une rafale de signal représentant une séquence numérique prédéterminée. Ce message est émis sur un canal radio montant écouté par un système de réception du réseau. Dans les systèmes de radiocommunication tels que le GSM (« Global System for Mobile communications ») et l'UMTS (« Universal Mobile Telecommunication System »), ce canal est appelé RACH ou PRACH (« Packet Random Access CHannel »). Le format d'un tel message est notamment décrit à la section 5.2.2.2 de la spécification technique TS 25.211 version 5.2.0 Release 5, « Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) », publiée en septembre 2002 par l'organisation 3GPP.
Une détection fiable des rafales d'accès aléatoire sur le RACH est importante car le taux d'échec d'établissement de communications vu d'un utilisateur radiomobile en dépend directement.
Une amélioration de la fiabilité de détection est particulièrement intéressante pour des systèmes de réception qui comprennent des antennes intelligentes (« smart antennas ») sectorielles ou omnidirectionnelles.
Dans le système UMTS, la séquence numérique prédéterminée émise sur le canal RACH par un terminal mobile a une taille de 4096 "chips", un chip étant un élément de code conformément au codage utilisé dans le système. Les données échangées sont constituées en trames de 10 ms, elles-mêmes subdivisées en 15 intervalles de temps (ou "slots") de 666 µs, correspondant à 2560 chips. Ainsi, la rafale de signal associée à la séquence numérique émis sur le RACH est reçu à l'intérieur d'un intervalle correspondant à deux slots consécutifs.
Lorsque le réseau radio souhaite déterminer si une rafale d'accès aléatoire a été transmise sur un canal RACH, il calcule pour les 1024 (= 2 x 2560 - 4096) positions possibles de la séquence numérique de la rafale à l'intérieur de deux slots consécutifs, une corrélation entre la séquence telle que détectée et la séquence numérique prédéterminée qui est connue du réseau.
Un critère doit être défini pour décider, à partir d'une telle corrélation, si la séquence numérique prédéterminée est présente. Celui-ci est habituellement basé sur le niveau énergétique de la corrélation, qui est comparé à un niveau seuil prédéfini.
Cependant, selon les conditions de propagation du canal radio utilisé, le signal reçu par le réseau radio est plus ou moins atténué. Il en résulte que la fixation du seuil est délicate: un seuil trop bas cause de nombreuses fausses détections qui perturbent le système, tandis qu'un seuil trop élevé fait manquer des requêtes d'accès provenant de terminaux relativement éloignés de la station de base.
Une rampe de puissance peut être utilisée par le terminal mobile pour retransmettre régulièrement la rafale d'accès au réseau sur le canal RACH avec, pour chaque nouvelle transmission une puissance d'émission augmentée, tant que le réseau n'a pas répondu à sa demande de ressources. Cette méthode permet d'améliorer la détection de la rafale par le réseau radio, notamment dans le cas où la faible puissance d'émission des premières transmissions est à l'origine de l'absence de détection de la rafale sur le RACH.
Toutefois, par la répétition de la rafale d'accès aléatoire sur le RACH, cette méthode occupe le canal au détriment des requêtes éventuelles des autres utilisateurs. En outre, la puissance élevée des signaux ainsi répétés peut créer des interférences nuisibles dans le système.
Un but de la présente invention est de proposer une méthode de détection de signaux prédéfinis qui permet d'atténuer les inconvénients des méthodes connues.
L'invention propose ainsi un procédé de détection d'une rafale de signal transmise à l'initiative d'un émetteur sur un canal radio écouté par un système récepteur, la rafale transmise représentant une séquence numérique prédéterminée, dans lequel on estime des paramètres de canal représentant un comportement statistique du canal radio et on évalue une grandeur de détection à partir des paramètres de canal estimés et d'une corrélation entre un signal reçu au système récepteur et la séquence numérique prédéterminée. Selon l'invention, on compare la grandeur de détection à un seuil de détection adaptatif pour décider si la rafale de signal est détectée.
La fiabilité de la détection est ainsi augmentée grâce à une prise en compte a posteriori des effets de cette détection. Une rétroaction permet alors une adaptation pertinente du seuil de détection employé.
L'invention propose également un système récepteur adapté à la mise en oeuvre du procédé ci-dessus.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaítront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
  • la figure 1 est un schéma d'un système mettant en oeuvre l'invention;
  • la figure 2 est un diagramme schématisant les principaux échanges de signalisation en vue d'une allocation de ressources à un terminal mobile dans un système de type GSM; et
  • la figure 3 est un organigramme schématisant certaines étapes du procédé selon l'invention.
On se place ci-après dans le cas non limitatif d'une réalisation de l'invention appliquée à la détection d'une rafale de signal d'accès aléatoire à un réseau radio cellulaire.
Le terminal mobile 1 émet une rafale de signal sur un canal de type RACH lorsqu'il souhaite accéder au réseau et obtenir de ce dernier des ressources de communication.
Le réseau est composé principalement d'un réseau coeur assurant la commutation des données et le raccordement à d'autres réseaux de communication, comme le RTCP (« Réseau Téléphonique Commuté Public »), et d'un réseau radio responsable des échanges de données et de signalisation avec des terminaux mobiles.
Le réseau radio comprend généralement des systèmes d'émission et de réception, appartenant à des stations de base, ainsi que des contrôleurs de stations de base assurant des fonctions de plus haut niveau que la simple transmission des données, comme la gestion des ressources radio ou de la mobilité par exemple. Certaines fonctions peuvent être exécutées indifféremment par les stations de base ou par les contrôleurs de stations de base. Certaines peuvent également être effectuées de façon partagée par ces entités.
On considère une station de base incluant un système de réception 2 capable de recevoir des signaux émis notamment par le terminal 1. De façon avantageuse mais non restrictive, certaines des fonctions effectuées par le système de réception 2, qui seront détaillées par la suite, sont sous la responsabilité du contrôleur dont dépend cette station de base. Ce contrôleur 3 est appelé BSC (« Base Station Controller ») dans la terminologie utilisée dans le système GSM. Dans le système UMTS, la station de base est parfois nommée « Node B » et le contrôleur de station de base est appelé RNC (« Radio Network Controller »).
Le système de réception 2 illustré sur la figure 1 comporte deux voies principales de réception, en phase (I) et en quadrature (Q). Le signal radio reçu est mélangé à deux ondes radio en quadrature à la fréquence porteuse. Après filtrage passe-bas, les deux composantes qui en résultent forment respectivement un signal en phase Zx et un signal en quadrature Zy qui, ensemble, peuvent être vus comme constituant un signal complexe Z = Zx + j.Zy.
Le signal Z comporte à la fois les signaux éventuellement émis par le terminal mobile 1 et les signaux résiduels constitués de bruit et d'interférences. Etant donné que les fréquences porteuses sont généralement partagées par plusieurs utilisateurs, les signaux transmis par d'autres terminaux mobiles constituent des interférences, semblables au bruit dans un système CDMA tel que l'UMTS. A chaque instant le système 2 reçoit donc des signaux Zx, Zy constitués de séquences numériques sur chacune des deux voies I et Q.
La séquence numérique prédéterminée représentée par la rafale d'accès aléatoire est une séquence s de M échantillons (chips dans un système CDMA) ayant une longueur suffisante pour assurer une détection dans de bonnes conditions. Dans le cas de l'UMTS, elle est de M = 4096 chips, soit un peu plus d'une milliseconde (la cadence des chips est de 3,84 Mchip/s). Pour détecter la présence éventuelle d'une telle rafale, le système récepteur comporte deux filtres 3, respectivement sur les voies I et Q, qui sont adaptés à la séquence prédéterminée de chips, et qui réalisent l'opération z = Z.s*, où (.)* désigne le complexe conjugué. Le signal complexe z = zx + j.zy produit par ces filtres 3 représente ainsi une corrélation entre le signal reçu et la séquence à détecter, calculée à la fréquence des chips. Les deux signaux réels zx et zy, correspondent respectivement aux composantes réelle et imaginaire du signal détecté après filtrage adapté.
Ayant détecté le signal complexe z = zx + j zy, le système récepteur 2 effectue un calcul pour déterminer la vraisemblance selon laquelle ce signal z révèle la présence la séquence numérique connue émise sur le RACH par le terminal mobile 1.
Soient H1 l'hypothèse selon laquelle la rafale d'accès aléatoire a été émise sur le canal RACH et H0 l'hypothèse complémentaire selon laquelle seul du bruit est présent. On peut écrire le rapport des probabilités basées sur la connaissance du signal détecté z comme suit, selon la formule de Bayes :
Figure 00060001
où P(a/b) désigne la probabilité de a connaissant b.
Le système récepteur 2 considère que la rafale a été émise sur le RACH si ce rapport P(H1/z) / P(H0/z) est supérieur à un certain seuil c. En outre, le rapport P(H1) / P(H0) = P(H1) / 1-P(H1) est indépendant du signal détecté. On peut considérer que le rapport P(H1/z) / P(H0/z) est supérieur au seuil de détection c, si le rapport P(z/H1) / P(z/H0) est supérieur à un seuil c', tel que c' = c × P(H0) / P(H1).
Le système récepteur 2 évalue donc le rapport de probabilités P(z/H1) / P(z/H0) pour décider, par comparaison à un seuil, de la détection ou non d'une rafale d'accès aléatoire sur le canal RACH. Cette évaluation prend avantageusement en compte les conditions de propagation sur ce canal.
Le signal détecté par le système récepteur 2 à la suite de l'émission d'une rafale peut s'écrire sous la forme Z = a.s + n, où a désigne l'atténuation ou gain du canal de propagation et n désigne le bruit blanc gaussien capté par le système 2.
En sortie des filtres 3 adaptés à la séquence s, le signal s'écrit alors z = a.|s|2 + n', où n' = n.s* a également les propriétés d'un bruit gaussien. Sans affecter la généralité, on peut considérer les séquences s comme normées, soit |s|2 = 1.
La probabilité de détecter le signal z après filtrage adapté sachant que la séquence prédéfinie a été émise sur le RACH peut alors s'écrire :
Figure 00060002
avec C l'ensemble des réalisations possibles du gain complexe a sur le canal de propagation, N0 la puissance du bruit et p(a) la densité de probabilité du gain a. De même, la probabilité de détecter le signal z après filtrage adapté sachant que seul du bruit a été reçu peut s'écrire : P(z/H0) = 1 πN0 .e-1N0 .z 2 . On en déduit la relation :
Figure 00070001
Si on développe le signal z selon ses deux composantes pour chacune des deux voies, on a z = zx + j zy. De même, on peut écrire le gain du canal de propagation a sous la forme : a = ax + j ay. L'indépendance des deux variables aléatoires ax et ay permet de factoriser la densité de probabilité p(a) sous la forme : px(ax).py(ay) et d'écrire:
Figure 00070002
où R désigne l'ensemble des nombres réels.
Par ailleurs, les polynômes de Hermite sont des polynômes d'ordre n, n étant un entier naturel, qui satisfont l'équation différentielle suivante : -Hn"(x) + 2x.Hn'(x) = 2n.Hn(x). Les premiers polynômes de Hermite, pour des ordres allant de 0 à 5 sont les suivants :
  • H0(x) = 1 ; H1(x) = 2x ;
  • H2(x) = 4x2-2 ; H3(x) = 8x3-12x ;
  • H4(x) = 16x4-48x2+12 ; H5(x) = 32x5-160x3+120x .
    • Ces polynômes satisfont l'équation:
    Figure 00070003
    de sorte qu'on peut écrire:
    Figure 00080001
    avec
    Figure 00080002
    représentant le moment d'ordre n de la distribution de la composante en phase du gain du canal de propagation. De même:
    Figure 00080003
    avec
    Figure 00080004
    représentant le moment d'ordre n de la distribution de la composante en quadrature du gain du canal de propagation.
    Par conséquent, le rapport de probabilités P(z/H1) / P(z/H0) peut s'écrire :
    Figure 00080005
    Selon l'invention, un module de calcul 5 du système récepteur 2 estime les moments max,n et may,n en sortie des filtres adaptés 3 pour chacune des deux voies de réception respectivement.
    Cette évaluation est effectuée sur un intervalle de temps dit intervalle d'évaluation qui correspond à un nombre de chips inférieur au nombre de positionnements possibles de la rafale d'accès aléatoire à l'intérieur de deux slots consécutifs. Si l'on reprend le cas de l'UMTS, où il existe 1024 positions possibles de la rafale à l'intérieur de 2 slots consécutifs, on peut choisir par exemple un intervalle d'évaluation correspondant à 32 chips.
    L'évaluation des moments consiste alors à estimer la probabilité px(ax), py(ay) de trouver chaque valeur d'une composante caractéristique du gain du canal de propagation ax,n et ay,n, dans l'échantillon correspondant du signal détecté dans l'intervalle d'évaluation. Ces probabilités sont ensuite pondérées par la puissance nième de la valeur de composante associée, avant d'être sommées, comme cela est indiqué par les formules
    Figure 00090001
    et
    Figure 00090002
    respectivement.
    Après chaque nouvelle évaluation, le module 5 de calcul des moments envoie le résultat de son calcul à un module 6 de détection du RACH du système récepteur 2. Ce module calcule le rapport de probabilités P(z/H1) / P(z/H0) grâce à la formule (4), en tronquant la sommation à un ordre k < ∞:
    Figure 00090003
    Ce calcul est aisé puisque les moments max,n et may,n ont été fournis par le module 5. La variance N0 du bruit est classiquement disponible dans le récepteur, à partir d'une moyenne de l'énergie du signal complexe en sortie des filtres adaptés 3.
    Il est particulièrement avantageux que le nombre k soit supérieur à 2, pour prendre en compte des moments d'ordre élevé qui traduisent finement le comportement du canal.
    Il pourrait aussi être limité à 2, auquel cas le calcul du rapport P(z/H1) / P(z/H0) peut se ramener à celui de l'énergie du signal de sortie z des filtres adaptés 3.
    Le module de détection 6 peut mémoriser des tables donnant pour certaines valeurs types, la valeur correspondante pour les polynômes de Hermite. Ceci permet de déterminer facilement la valeur du rapport P(z/H1) / P(z/H0) pour toute nouvelle valeur détectée de zx et zy à l'intérieur de l'intervalle d'évaluation des moments.
    Le rapport de probabilités ainsi estimé est alors comparé par le module de détection 6 à un seuil de détection c' par exemple fixé selon un objectif de fiabilité de détection des RACH. Si le rapport P(z/H1) / P(z/H0) est supérieur à c' (ce qui correspond au fait que le rapport P(H1/z) / P(H0/z) dépasse lui-même un certain seuil comme cela a été vu plus haut), le système récepteur 2 considère alors que la séquence prédéfinie a été émise sur le canal RACH. Des ressources vont pouvoir ainsi être mise à disposition du terminal demandeur.
    Dans le cas contraire, où le rapport P(z/H1) / P(z/H0) est inférieur à c', le système de réception 2 peut décider de conclure qu'aucune séquence n'a été émise sur le canal RACH.
    Bien sûr, dans le cas où la décision du système récepteur 2 est erronée, par exemple s'il ignore une requête émise par le terminal 1 sur le RACH, le terminal, qui ne reçoit pas la réponse attendue, peut appliquer une méthode de répétition pour améliorer la fiabilité de la détection par le système récepteur 2, par exemple en mettant en oeuvre une rampe de puissance.
    Quelle que soit la grandeur de détection calculée en fonction du signal instantané reçu, l'invention prévoit une adaptation du seuil de détection auquel est comparée cette grandeur. L'adaptation prend en compte l'un au moins des deux éléments suivants:
    • objectif d'un certain taux de fausses détections de la rafale, lequel taux peut varier avec l'environnement radio si on garde la même valeur de seuil;
    • le rapport de probabilités P(H1) / P(H0) = P(H1) / 1-P(H1) intervenant dans l'expression (1) ci-dessus.
    Selon un aspect de l'invention, le rapport P(H1)/P(H0) fait l'objet d'une évaluation, mise à jour au cours du temps. Comme cela est illustré à la figure 2, on commence à l'étape 11 par déterminer une période d'observation Tobs, pendant laquelle certains indicateurs seront estimés. Cette période doit être suffisamment longue pour obtenir une estimation significative des indicateurs, tout en autorisant une remise à jour suffisamment régulière des estimations. Par exemple, Tobs peut être fixé à 30 minutes.
    L'évaluation du rapport P(H1) / P(H0) = P(H1) / 1-P(H1) consiste à déterminer la probabilité d'émission de signaux sur le canal RACH écouté par le système récepteur. Pour cela, on détermine le nombre A de rafales détectées sur le canal RACH dans une période d'observation Tobs (« Nombre de RACH » à l'étape 12 de la figure 2) ainsi que le nombre maximum théorique T de rafales pouvant être transmises sur le canal RACH (« Nombre max de RACH » à l'étape 13 de la figure 2) dans la même période.
    Le nombre A de rafales détectées sur le canal RACH pendant Tobs peut être facilement connu par le système récepteur puisque c'est lui qui décide de la détection ou non de telles rafales. Il lui suffit donc de comptabiliser chaque détection pendant la période d'observation.
    Le nombre maximum T de rafales pouvant être transmises sur le canal RACH pendant Tobs peut être calculé par le système récepteur en fonction de l'intervalle de temps Ti séparant l'émission de deux rafales et du nombre J de séquences prédéterminées possibles pour le RACH ou utilisées par la station de base considérée (typiquement J = 16). En UMTS, Ti = 5120 chips = 1,33 ms. En GSM, Ti = 148 bits = 0,58 ms. Le nombre T est donné par T = J × Tobs / Ti.
    D'après ce qui précède, P(H1) peut être estimé sur la période Tobs à partir des grandeurs A et T estimées, selon la formule P(H1) = A / T. Le rapport P(H1) / P(H0) peut alors s'écrire P(H1) / P(H0) = A / (T-A).
    Ce rapport, mis à jour à l'étape 14 pour chaque période d'observation Tobs, peut avantageusement être introduit dans le critère de détection (1), afin de fiabiliser la détection des requêtes d'accès au réseau sur un canal RACH, grâce à une prise en compte a posteriori du comportement des utilisateurs sollicitant le canal RACH. En d'autres termes, le seuil c' utilisé est réglé proportionnellement à (T-A) / A.
    Un autre aspect de l'invention comporte une estimation du taux de fausses détections de la rafale au cours de la période d'observation Tobs.
    D'après ce qui précède, le système récepteur dispose du nombre maximum possible T de rafales d'accès aléatoire pouvant être transmises sur le canal RACH pendant une période d'observation Tobs. Il détermine en outre un nombre de détections erronées d'une telle rafale sur le canal RACH, c'est-à-dire un nombre F de signaux détectés et interprétés à tort par le système récepteur comme correspondant à des requêtes d'accès au réseau.
    Une demande d'accès au réseau par un terminal 1 fait en effet l'objet d'un échange de signalisation déterminé. Il convient donc de vérifier que cet échange s'est ou non déroulé correctement jusqu'au bout, pour savoir si la demande de ressources détectée au système récepteur était réelle.
    A titre d'illustration, la figure 3 montre un tel échange de signalisation dans le cadre du système de radiocommunication GSM. La demande d'accès au réseau par le terminal 10 fait l'objet du message montant « Channel_Request » sur un canal RACH, incorporant la rafale à détecter par la station de base. Sur détection de ce message, la station de base 20 informe le BSC 30 de la requête (message « Channel_Required »). Le BSC 30 réserve alors des ressources de communication qu'il indique à la station de base 20 (message « Channel_Activate »), avant de recevoir un acquittement en réponse (message « Channel_Activate_Ack »). Le BSC 30 envoie alors un message « Immediate_Assignment » au terminal 10 par l'intermédiaire de la station de base 20 pour lui indiquer les ressources de communication qui lui sont affectées. Ensuite, un échange de signalisation de couche 3 est effectué pour confirmer l'ouverture d'une voie de communication entre le terminal 10 et le réseau radio (messages « SABME », « UA » et « Estab_Indic »).
    Ainsi, si la station de base 20 ne reçoit pas, par exemple, le message « SABME » de couche 3 après avoir transmis le message d'allocation de ressources « Immediate_Assignment », le système récepteur peut en conclure que la requête d'accès au réseau du terminal 10 a été détectée à tort. En revanche, si l'échange de signalisation confirme que le terminal 10 a bien émis une requête d'accès, le système récepteur ne comptera pas une détection erronée.
    Il faut noter qu'un échange de signalisation similaire pourrait permettre de distinguer les requêtes abouties des "fausses" requêtes d'accès au réseau dans d'autres types de systèmes, comme par exemple dans le système UMTS (« Universal Mobile Telecommunication System ») ou tout autre système équivalent.
    Le système récepteur, c'est-à-dire la station de base 20 et/ou le BSC 30, comptabilise les « fausses » requêtes pendant Tobs, et en déduit le nombre F de détections erronées sur le canal RACH (ou « Nombre de faux RACH » sur la figure 2) sur la période d'observation Tobs (étape 15 sur la figure 2).
    A l'étape 16, il obtient l'estimation du taux de fausses détections sur le canal RACH (ou « taux de faux RACH » sur la figure 2) défini comme le rapport F/T du nombre F de faux RACH par le nombre maximum T possible de RACH sur la période d'observation Tobs.
    Ce dernier rapport donne une indication de la fiabilité de la détection des signaux sur le canal RACH. En effet, si la détection est fiable, la proportion de faux RACH détectés par le système récepteur sera faible en rapport de tous les signaux détectés durant Tobs, en particulier le bruit. Inversement, si le rapport F/T est élevé, cela signifie que de nombreuses décisions du système récepteur, suite à la détection d'un signal, ont conduit à tort à interpréter du bruit comme étant un signal porté par le RACH.
    Le système récepteur utilise le rapport F/T pour ajuster le critère de détection des signaux sur le canal RACH qu'il utilise. En particulier, le niveau seuil de détection c ou c' peut avantageusement être modifié en fonction de ce rapport F/T. Par exemple, si F/T est trop élevé (en comparaison d'un objectif qui peut par exemple être de l'ordre de 10-3), cela signifie que la détection de la rafale est trop sensible et donc que le seuil de détection doit être durci (augmenté). Inversement, si le rapport F/T est jugé trop faible par le système récepteur, cela signifie que la détection a tendance à manquer des rafales d'accès aléatoire, et qu'il faut plutôt relâcher le critère de détection, c'est-à-dire diminuer le seuil.
    C'est ainsi que le réseau asservit le seuil de détection c ou c' afin d'atteindre un objectif en termes de taux de fausses détection F/T.
    Le critère ainsi ajusté en fonction du rapport de probabilités P(H1) / P(H0) et/ou du taux de fausses détections F/T est appliqué par la station de base (étape 18 sur la figure 2) aux évaluations de la grandeur de détection (par exemple de la forme P(z/H1) / P(z/H0)) obtenues à l'étape 17.
    Dans ce qui précède, on a considéré la station de base 20 et le BSC 30 comme un tout formant un système récepteur. En réalité, certaines fonctions du système récepteur seront mises en oeuvre par la station de base 20 et d'autres par le BSC 30.
    En particulier, la détection des rafales est habituellement effectuée par la station de base 20, tandis que certaines des estimations des étapes 12 à 16 peuvent être effectuées par le BSC 30. Dans ce cas, le BSC 30 peut indiquer à la station de base 20 comment adapter le critère de détection qu'elle utilise. Il peut donc par exemple lui indiquer que le seuil de détection c' qu'elle utilise doit être augmenté ou diminué d'une certaine valeur, par exemple d'un nombre de pas d'augmentation ou de diminution qu'il détermine.
    Il en est bien sûr de même, lorsque le système de radiocommunication utilisé est l'UMTS. Dans ce cas, le RNC peut envoyer de telles commandes au Node B par l'intermédiaire du protocole d'échange de signalisation NBAP (« Node B Application Part »).

    Claims (22)

    1. Procédé de détection d'une rafale de signal transmise à l'initiative d'un émetteur (1) sur un canal radio écouté par un système récepteur (2), la rafale transmise représentant une séquence numérique prédéterminée, dans lequel on estime des paramètres de canal représentant un comportement statistique du canal radio et on évalue une grandeur de détection à partir des paramètres de canal estimés et d'une corrélation entre un signal reçu au système récepteur et la séquence numérique prédéterminée, caractérisé en ce qu'on compare la grandeur de détection à un seuil de détection adaptatif pour décider si la rafale de signal est détectée.
    2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on estime, sur une période d'observation, un taux de fausses détections de la rafale, et on fait varier le seuil de détection adaptatif en fonction du taux de fausses détections estimé.
    3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'estimation du taux de fausses détections de la rafale comporte un décompte d'un nombre de procédures de signalisation qui commencent par la détection d'une rafale pendant la période d'observation et qui n'aboutissent pas.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on estime, sur une période d'observation, un rapport d'une probabilité de transmission de la rafale par un émetteur par une probabilité d'absence de transmission de la rafale.
    5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'estimation du rapport de probabilités, comporte un décompte du nombre de détections de la rafale pendant la période d'observation.
    6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits paramètres de canal estimés comprennent des moments d'ordre supérieur à 2 du gain sur le canal radio.
    7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lesdits paramètres de canal estimés comprennent des moments d'ordre 0 à k du gain sur le canal radio, où k est un entier plus grand que 2.
    8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le signal reçu est soumis à un filtrage adapté à la séquence numérique prédéterminée pour obtenir ladite corrélation sous forme d'un signal complexe ayant une première composante sur une voie en phase (zx) et une seconde composante sur une voie en quadrature (zy).
    9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la grandeur de détection évaluée est proportionnelle à
      Figure 00160001
      où N0 désigne la puissance estimée du bruit sur le canal radio, zx et zy désignent lesdites première et seconde composantes, max,n et may,n désignent les moments d'ordre n du gain respectivement sur la voie en phase et sur la voie en quadrature, Hn désigne le polynôme de Hermite d'ordre n et k est un entier plus grand que 2.
    10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit émetteur (1) est un terminal mobile, ledit système récepteur (2) appartient à un réseau de radiocommunication et dans lequel ladite rafale est émise pour requérir l'accès au réseau.
    11. Système récepteur apte à détecter une rafale de signal transmise à l'initiative d'un émetteur (1) sur un canal radio écouté par le système récepteur (2), la rafale transmise représentant une séquence numérique prédéterminée, comprenant des moyens d'estimation de paramètres de canal représentant un comportement statistique du canal radio, des moyens d'évaluation d'une grandeur de détection à partir des paramètres de canal estimés et d'une corrélation entre un signal reçu au système récepteur et la séquence numérique prédéterminée, des moyens de comparaison de la grandeur de détection à un seuil de détection pour décider si la rafale de signal est détectée, et des moyens d'adaptation du seuil de détection.
    12. Système récepteur selon la revendication 11, comprenant en outre des moyens d'estimation, sur une période d'observation, d'un taux de fausses détections de la rafale, dans lequel les moyens d'adaptation comprennent des moyens pour faire varier le seuil de détection en fonction du taux de fausses détections estimé.
    13. Système récepteur selon la revendication 12, dans lequel les moyens d'estimation du taux de fausses détections comportent des moyens de décompte d'un nombre de procédures de signalisation qui commencent par la détection d'une rafale pendant la période d'observation et qui n'aboutissent pas.
    14. Système récepteur selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant en outre des moyens d'estimation, sur une période d'observation, d'un rapport d'une probabilité de transmission de la rafale par un émetteur par une probabilité d'absence de transmission de la rafale.
    15. Système récepteur selon la revendication 14, dans lequel les moyens d'estimation du rapport de probabilités, comportent des moyens de décompte du nombre de détections de la rafale pendant la période d'observation.
    16. Système récepteur selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, comprenant au moins une station de base (20) et un contrôleur de station de base (30), dans lequel les moyens d'estimation de paramètres de canal, les moyens d'évaluation de la grandeur de détection et les moyens de comparaison font partie de la station de base, tandis qu'une partie au moins des moyens d'adaptation fait partie du contrôleur de station de base.
    17. Système récepteur selon la revendication 16, dans lequel le contrôleur de station de base (30) comprend des moyens de transmission à la station de base (20) de messages de réglage du seuil de détection.
    18. Système récepteur selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, dans lequel lesdits paramètres de canal estimés comprennent des moments d'ordre supérieur à 2 du gain sur le canal radio.
    19. Système récepteur selon la revendication 18, dans lequel lesdits paramètres de canal estimés comprennent des moments d'ordre 0 à k du gain sur le canal radio, où k est un entier plus grand que 2.
    20. Système récepteur selon la revendication 18 ou 19, comprenant des moyens de filtrage, adapté à la séquence numérique prédéterminée, auquel est soumis le signal reçu pour obtenir ladite corrélation sous forme d'un signal complexe ayant une première composante sur une voie en phase (zx) et une seconde composante sur une voie en quadrature (zy).
    21. Système récepteur selon la revendication 20, dans lequel la grandeur de détection évaluée est proportionnelle à
      Figure 00180001
      où N0 désigne la puissance estimée du bruit sur le canal radio, zx et zy désignent lesdites première et seconde composantes, max,n et may,n désignent les moments d'ordre n du gain respectivement sur la voie en phase et sur la voie en quadrature, Hn désigne le polynôme de Hermite d'ordre n et k est un entier plus grand que 2.
    22. Système récepteur selon l'une quelconque des revendications 11 à 21, dans lequel ledit émetteur (1) est un terminal mobile, ledit système récepteur (2) appartient à un réseau de radiocommunication et dans lequel ladite rafale est émise pour requérir l'accès au réseau.
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